于水利（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院）
孫鳳鳴（大慶石油管理局供水公司）

　　摘　要：通過模型實(shí)驗(yàn)，探討了最優(yōu)混凝攪拌條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：最優(yōu)快速攪拌條件（GT值）與原水濁度、投藥量、水溫等有關(guān)；最優(yōu)慢速攪拌條件（G值）與投藥量等有關(guān)，慢速攪拌時間（T值）宜大于15min.
　　關(guān)鍵詞：混凝；快速攪拌；慢速攪拌；給水處理

Research on the optimum coagulation mixing condition of coagulation
YU Shui-li
( Sch.of Municipal &Environ.Engin ,Harbin Institute of Technology)
SUN Feng-ming
( Water Supply Co. , Daqing Oil Administrative Bureau)

　　Abstract: A model test was conducted in the optimum mixing condition of coagulation. It was found that the optimum flash mixing condition of coagulation(GT)was concerned with turbidity,dose,watertemperate,etc.The optimum low rate mixing(G)was concerned with dose etc.and the low rate mixing time(T)should be above 15min.
　　Key words: coagulation; flash mixing; low rate mixing; feed water treatment

0．前言

　　混凝操作一般采用先快速攪拌（快速混合），然后慢速攪拌（絮凝）的水力條件。快速攪拌的目的是為了使混凝劑瞬間、快速、均勻地分散到水中，以避免藥劑分散不均勻，造成局部藥劑濃度過高，影響混凝劑（如：硫酸鋁）自身水解及其與水中膠體（或雜質(zhì)顆粒）的作用。慢速攪拌是為了使快速攪拌時生成的微絮凝體進(jìn)一步長成粗大、密實(shí)的絮凝體，以實(shí)現(xiàn)固液分離。快速攪拌（混合）條件和慢速攪拌（絮凝）條件，現(xiàn)階段設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，通常是按某固定值進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制的，即按某固定G值（攪拌強(qiáng)度）T值（攪拌時間）時間和控制，而沒有考慮攪拌條件隨投藥量、原水濁度、水溫等的變化而變化。這樣，不僅會使混凝費(fèi)用增加，而且有時還會使混凝效果惡化。本研究試圖通過實(shí)驗(yàn)考察最優(yōu)攪拌條件與投藥量、原水濁度、水溫等的關(guān)系，從而為生產(chǎn)中實(shí)時、最優(yōu)地控制攪拌條件提供依據(jù)。

1．實(shí)驗(yàn)方法和條件

　　混凝研究通常是通過燒杯攪拌試驗(yàn)，考察不同混凝條件下的除濁效果。由于該過程經(jīng)過的環(huán)節(jié)太多（快速攪拌、慢速攪拌、沉淀、測濁度），難免給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來誤差。故本實(shí)驗(yàn)擬采用直接測定絮凝體平均粒徑為指標(biāo)來研究混凝，因?yàn)榛炷哪康木褪菫榱耸闺s質(zhì)顆粒凝聚變大。絮凝體平均粒徑的檢測使用了絮凝檢測儀，該儀器的檢測值R（無量綱）可以相對地反映絮凝體平均粒徑的大小^[1]，而且該值不受水樣檢測部分污染及電子元件漂移的影響，而且還可以實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)檢測。
1.1實(shí)驗(yàn)裝置
　　混凝實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。混凝槽為方形槽，有效容積6.8L。攪拌采用型號為DD60－2F型無級調(diào)速攪拌器。用絮凝檢測儀聯(lián)機(jī)在線檢測混凝過程中絮凝體平均粒徑的變化（用檢測值R反映），記錄儀同時將檢測信號自動記錄。原水用高嶺土和哈爾濱市自來水按標(biāo)準(zhǔn)方法配制而成。混凝劑用精制硫酸鋁，用NaOH和HCl調(diào)整pH值。

1.2 攪拌強(qiáng)度G值的計(jì)算

　　　　　　　　　　　W=14.35D^4.38n^2.69ρ₀^0.69μ^0.31₀　　　　　　　　　　　　　
　　G值按張洪源等提出的公式 ⑴ 求攪拌器攪拌功率W，然后再由公式 ⑵ 求G值^[2]。
　　　　　　　　　　　　G=(W/μV)^0.5
　　式中：d—為攪拌葉片寬度（m）；
　　 　　 n—為攪拌器轉(zhuǎn)速（r/min）；
　　 　　 ρ₀—為水的密（1000/9.81kg·s²/m⁴）；
　　 　　 μ₀—為水的絕對粘度（kg·s/m²）；
　　 　　 V—為水樣體積（m³）。
　　混凝水樣裝置中攪拌葉片的尺寸和水樣體積之間的位置關(guān)系滿足公式 ⑴ 的要求，不需修正。
1.3 水樣資料的處理方法
　　絮凝檢測儀對混凝過程中絮凝體平均粒徑變化的檢測結(jié)果，可以由微機(jī)或自動記錄儀在線連續(xù)記錄下來。圖2是絮凝檢測儀隨高嶺土懸濁液混凝過程檢測的自動記錄儀記錄的結(jié)果。圖2 中，投藥后經(jīng)過一定時間，R值開始快速增大，達(dá)到某一最大值后略有減少并趨于穩(wěn)定。由圖2資料至少可以獲得兩個數(shù)據(jù)：一個是最大的R值（與最大絮凝體平均粒徑對應(yīng)）；二是R值最大時的攪拌時間（從加藥算起）。

　　在研究快速攪拌條件時，由于這時最終成長的絮凝體粒徑很小，快速攪拌條件對混凝的影響難以由絮凝體粒徑反映出來，故這時擬用絮凝體成長到最大（R值最大）所需時間t_m，即最優(yōu)快速攪拌時間作為指標(biāo)進(jìn)行研究。
　　在研究慢速攪拌條件時，由于這時絮凝體粒徑大，故擬以最終成長的最大絮凝體粒徑（用R_m反映）為參數(shù)進(jìn)行研究。并且為了簡便，快速攪拌的G值和時間t采用固定的值，分別為106s^－1和300s。

2．實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1最優(yōu)快速攪拌條件
2.1.1投藥量對最優(yōu)快速攪拌時間的影響
　　表1是在快速攪拌G值為106s^－1，原水濁度42mg/L，水溫13～14℃，不同投藥量時，用絮凝檢測儀測得的絮凝體平均粒徑最大時的攪拌時間t_m(即最優(yōu)快速攪拌時間)（篇幅限制，相應(yīng)的圖形曲線略）。

表1 投藥量對最優(yōu)快速攪拌時間的影響

Al₂(SO₄)₃投量（mg/L­）

最優(yōu)快速攪拌時間t_m(s)

2

680

6

460

10

310

14

161

18

92

　　原水濁度42mg/l；快攪G值106s^－1；水溫13～14℃；pH =7.2
　　表1 的結(jié)果有明顯的規(guī)律，即隨著投藥量的增大，絮凝體平均粒徑最大時的攪拌時間t_m顯著減小。實(shí)驗(yàn)中快速攪拌的G值固定為106s^－1,由于最優(yōu)快速攪拌時間隨投藥量的增大而減小，所以最佳GT值亦應(yīng)隨投藥量的變化而調(diào)整，才能使快速攪拌條件最優(yōu)。
　　表1 的結(jié)果是由于低投藥量時，懸濁質(zhì)顆粒脫穩(wěn)程度增大，顆粒之間凝結(jié)變得容易，使混凝速度加快，混凝時間變得短。由此，生產(chǎn)中快速攪拌研究應(yīng)隨投藥量的變化而變化。當(dāng)投藥量較小時，應(yīng)將GT值增大；反之，可以減小GT值。
2.1.2 原水濁度對最優(yōu)快速攪拌時間的影響
　　表2 時在一定的快速攪拌強(qiáng)度（G值為106s^－1）、一定的投藥量、一定水溫的條件下，原水濁度對最優(yōu)快速攪拌時間影響的測定結(jié)果（圖形略）。共對四組不同投藥量進(jìn)行了研究。

表2原水濁度對最優(yōu)快速攪拌時間的影響 時間（s）

Al₂(SO₄)₃投量（mg/L­）

濁度（mg/L­）

3

20

50

100

3

610

504

206

102

6

400

280

220

95

14

170

110

98

91

17

120

100

95

88

　　快速攪拌G值106s^－1；水溫13～14℃；pH =7.2
　　表2 的結(jié)果表明，當(dāng)投藥量較大時，隨原水濁度的提高，最佳攪拌時間t_m略有減少，但變化較小；而投藥量較小時，原水濁度對最佳攪拌時間t_m的影響很大；另外表2 還表明，當(dāng)原水濁度比較低時，最優(yōu)攪拌時間隨投量增大而縮短。由此，生產(chǎn)中當(dāng)投藥量較小時，快速攪拌條件（用GT值反映）最好隨原水濁度的變化適當(dāng)調(diào)整；而對于低濁度原水，增加混凝劑投量，快速攪拌GT值可以減小。
　　混凝劑必須與懸濁質(zhì)碰撞才能發(fā)揮混凝作用。當(dāng)混凝劑投量較小時，原水濁度越大，混凝劑越容易與雜質(zhì)顆粒碰撞產(chǎn)生混凝作用，故其混凝速度快，時間短；相反，原水濁度較小時，混凝劑不易與雜質(zhì)顆粒碰撞凝聚，所以混凝速度慢，時間長。而當(dāng)混凝劑投量增大時，即使原水濁度比較小，混凝劑與雜質(zhì)顆粒也很容易碰撞，再加上加大投藥量，可使膠粒脫穩(wěn)充分，有利于提高混凝速度，縮短混凝時間，即高投藥量時，最優(yōu)快速攪拌時間受原水濁度影響不大。
2.1.3 水溫對最優(yōu)快速攪拌時間的影響
　　表3是水溫對最優(yōu)快速攪拌時間的影響情況（圖形略）。

　　表3　 水溫對最優(yōu)快速攪拌時間的影響　 時間（s）

Al₂(SO₄)₃投量（mg/L­）

水溫（℃）

2.1

4.8

10.2

14.9

20.3

3

700

650

520

400

270

14

160

140

120

108

96

17

120

110

105

97

90

　　快攪G值106s^－1；原水濁度42mg/l；pH =7.2
　　由表3可見，當(dāng)投藥量降低時，水溫對最優(yōu)快速攪拌時間的影響很顯著，水溫越高，最優(yōu)快速攪拌時間越短；當(dāng)投藥量較大時，水溫對最優(yōu)快速攪拌時間的影響較小；對低溫水樣的混凝，投藥量增大，可使最優(yōu)快速攪拌時間明顯縮短。這些結(jié)果表明，對低溫水的混凝，通過增加投藥量可以使混凝反映更充分；而當(dāng)投藥量較小，水溫降低時，通過延長快速攪拌時間可以保證混凝效果。
　　一方面水溫影響混凝劑本身的水解反應(yīng)速度，溫度越低，水解反應(yīng)速度越慢；另一方面水溫還影響對混凝起關(guān)鍵所用的微渦旋以及水中各種微粒在水中的布朗運(yùn)動，水溫越低，布朗運(yùn)動越慢，越不利于混凝，故而產(chǎn)生了上述的結(jié)果。
2.1.4 快速攪拌G值與最優(yōu)快速攪拌時間t_m的關(guān)系
　　表4 是快速攪拌G值與攪拌時間t_m關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（關(guān)系圖略）。由表4可見，隨著快速攪拌強(qiáng)度G值的增大，最佳攪拌時間t_m減小。
　　以上結(jié)果與傳統(tǒng)的GT值概念相吻合（理論不贅述）。即在一定的G值范圍內(nèi)，可以以GT值為指標(biāo)控制混凝的攪拌條件。就快速攪拌的條件而言，當(dāng)G值控制在一定范圍時，GT時存在一個最佳值，此時的快速攪拌條件最佳，混凝效果最好，這時G值若增大，t減小；反之t增大。

表4 G值與最佳快速攪拌時間t_m的關(guān)系

快速攪拌G值（s^－1）

最優(yōu)快速攪拌時間t_m(s)

50.8

730

98.2

510

148.8

370

199.2

290

　　原水濁度42mg/l；投藥量14mg/L；水溫13～14℃；pH =7.2
2.2 最優(yōu)慢速攪拌G值
2.2.1 最優(yōu)慢速攪拌G值
　　混凝實(shí)驗(yàn)時，快速攪拌（G＝106s^－1）5min,慢速攪拌20min，考察慢速攪拌的G值對混凝效果的影響。共作了兩組不同投藥量的實(shí)驗(yàn)，表5時實(shí)驗(yàn)結(jié)果（曲線圖形略）。

表5 最優(yōu)慢速攪拌G值對混凝效果的影響

Al₂(SO₄)₃投量（mg/L­）

G(s^－1)

3.2

4.8

7.2

10.4

15.2

20.8

35

3

－

－

1.7

2.1

2.63

2.54

1.95

14

0.7

2.5

2.6

2.4

1.8

－

－

　　原水濁度42mg/l；快速攪拌G值106s^－1；快攪時間5min；pH =7.2
　　表5表明，慢速攪拌存在最佳的G值，并且當(dāng)投藥量較小（如：投量3.0mg/l）時，最佳G值偏大（15.2～20.8s^－1）；當(dāng)投藥量較大（如：14mg/l），最佳G值偏小（4.8～10.4 s^－1）。
　　合適的慢速攪拌強(qiáng)度既能使脫穩(wěn)膠粒之間發(fā)生碰撞，又不致時絮凝體產(chǎn)生破碎，故存在一個最佳的慢速攪拌G值。投藥量比較小時，最佳G值偏大，可能時由于混凝劑投量小時，膠粒脫穩(wěn)不充分，只有提高G值才能保證絮凝充分。
2.2.2 最佳慢速攪拌時間
　　慢速攪拌G值為15.2s^－1時，慢速攪拌時間對混凝效果的影響情況如表6所示。由表6的結(jié)果可見，當(dāng)慢速攪拌時間大于15min以后，慢速攪拌時間對混凝效果幾乎沒有影響；當(dāng)慢速攪拌時間小于10min時，混凝效果有所變差，這可能是由于攪拌時間小于10min時，脫穩(wěn)膠粒之間攪拌不充分，碰撞幾率小的緣故。

表6 最優(yōu)慢速攪拌時間

慢速攪拌時間（s）

最大絮體粒徑R_m

5

1.80

10

1.90

15

2.6

20

2.4

30

2.3

50

2.5

　　原水濁度42mg/l；慢速攪拌G值15.2s^－1；水溫13～14℃；pH =7.2

3．結(jié)論

　　用絮凝檢測儀對混凝過程進(jìn)行在線檢測，考察了最優(yōu)的快速攪拌條件和最優(yōu)的慢速攪拌條件，得到了以下結(jié)果：
　　1．投藥量對最優(yōu)快速攪拌時間t_m影響較大，投藥量越大，最優(yōu)快速攪拌時間t_m越小。
　　2．原水濁度對最優(yōu)快速攪拌時間t_m有影響。當(dāng)投藥量較小時影響較大，這時最優(yōu)快速攪拌時間t_m隨濁度增加顯著減小；當(dāng)投藥量較大時，濁度對最優(yōu)快速攪拌時間的影響較小。
　　3．水溫對最優(yōu)快速攪拌時間t_m有影響。當(dāng)投藥量較小時，隨水溫增大，最優(yōu)快速攪拌時間t_m明顯減小；當(dāng)投藥量較大時，水溫對最優(yōu)快速攪拌時間t_m影響較小；水溫降低時，增加投藥量，可使最優(yōu)快速攪拌時間t_m減小。
　　4．當(dāng)其它條件一定時，最優(yōu)快速攪拌時間t_m 隨快速攪拌G值增大而減小。
　　5．慢速攪拌存在一個最佳的攪拌強(qiáng)度G值。當(dāng)投藥量較小時，最佳G值偏大（本研究約15.2～20.8s^－1）；當(dāng)投藥量較大時，最佳G值偏小（本研究約為4.8～10.4 s^－1）。
　　6．慢速攪拌時間大于15min以后，慢速攪拌時間對混凝效果的影響很小。但慢速攪拌時間小于10min時，會影響混凝效果。

　　根據(jù)以上結(jié)果，生產(chǎn)中快速攪拌的GT值應(yīng)考慮隨原水濁度、投藥量、水溫等的變化適當(dāng)調(diào)整。最優(yōu)慢速攪拌強(qiáng)度G值應(yīng)考慮投藥量對其影響，并且慢速攪拌時間應(yīng)大于15min。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 于水利. 新型光學(xué)絮凝檢測儀的原理及制造[J]. 傳感器技術(shù)，1997， ⑵ ：22－25
　　[2] 許保玖. 燒杯攪拌實(shí)驗(yàn)的發(fā)展[J]. 中國給水排水，1985， ⑴ ：7－11.

于水利簡歷
　　于水利，1962.10生。現(xiàn)任哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，市政工程系主任，國際水協(xié)會（IWA）會員、中國土木工程學(xué)會工業(yè)給水排水委員會副主任、《工業(yè)用水與廢水》雜志編審委員會副主任、中國建筑學(xué)會村鎮(zhèn)建設(shè)分會理事。
　　長期從事水環(huán)境科學(xué)與工程的教學(xué)與科研工作。科研成果曾獲國家科學(xué)技術(shù)發(fā)明3等獎1項(xiàng)，建設(shè)部科技進(jìn)步1等獎1項(xiàng)，黑龍江省科技進(jìn)步2等獎2項(xiàng)，遼寧省優(yōu)秀圖書1等獎1項(xiàng)以及“高校青年教師獎”1項(xiàng)。研究課題曾得到“國家自然科學(xué)基金”、“黑龍江省杰出青年基金”、“高等學(xué)校優(yōu)秀青年教師教學(xué)科研獎勵計(jì)劃”、“霍英東教育基金”、“黑龍江省自然科學(xué)基金”以及“中國地質(zhì)大學(xué)湖北省廢物地質(zhì)處置與環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金”等的資助。出版專著2部，參編給水排水專業(yè)全國統(tǒng)編教材1部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文50篇。1997年和1998年分別被建設(shè)部和黑龍江省授予“有突出貢獻(xiàn)的中青年專家”和“優(yōu)秀中青年專家”稱號。
　　電　話：0451——2323613（H）　 0451——6282101（0）
　　Email:yslhgd@china.com

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　　此文曾刊載于1999年第6期的《哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報》